Майкл Уайт - Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

На самом деле точная формулировка принципа неопределенности гласит, что энергия может быть лишь «позаимствована» у вакуума совсем ненадолго – на время, определяемое постоянной Планка. Это связано с неопределенностью измерения времени как такового. Единственный способ преобразования этой энергии в частицы – создавать частицы только в парах, чтобы затем они взаимодействовали друг с другом и аннигилировали, прежде чем Вселенная успеет «заметить», что энергия была позаимствована. Это значит, что частицы, созданные из вакуума, особым образом объединены в пары.

У каждого вида частиц, например, у электрона, есть соответствующая античастица (в случае электрона – позитрон). Античастицы производились в ходе экспериментов на ускорителях частиц и обнаружены в космических лучах (высокоэнергичные частицы, доходящие до Земли из космоса), а кроме того, предсказаны квантовой теорией, так что в том, что они существуют, нет никаких сомнений. Античастица во многих отношениях – зеркальное отражение частицы-эквивалента: например, позитрон несет положительный заряд, а электрон – отрицательный. И если частица встречает свою античастицу, они аннигилируют.

Итак, согласно квантовой теории, вакуум – это бурлящее море виртуальных частиц. В нем постоянно возникают пары вроде электрона и позитрона, взаимодействуют и исчезают в полном соответствии с законами квантового мира. Общая высвобождаемая энергия равна нулю, однако виртуальные частицы возникают и исчезают все время – ниже порога реальности.

Хокинг показал, что даже у невращающейся черной дыры этот процесс способен истощить энергию самой черной дыры и высвободить ее во внешнюю Вселенную. Вот как это происходит: пара виртуальных частиц создается у самого горизонта черной дыры. За ту крошечную долю секунды, которую допускает квантовая неопределенность, одна из частиц попадает в черную дыру. Тогда второй частице не с чем аннигилировать, и она «сбегает» во Вселенную, прихватив с собой энергию.

Откуда взялась эта энергия? В сущности, это гравитационная энергия черной дыры. Черная дыра создает из своей энергии две частицы, но захватывает только одну, так что энергетический долг возмещается только наполовину, и в результате черная дыра теряет массу. При прочих равных условиях, если черная дыра не восполняет массу из других источников, она будет непрерывно сокращаться, испаряться, будто лужа на солнцепеке. Процесс этот медленный, но неуклонный, и даже у минидыры размером с протон уходят миллиарды лет на то, чтобы дойти до той точки, где она взорвется.

Итак, Хокингу пришлось отказаться от собственного вывода, что поверхность черной дыры не может уменьшаться. Сначала он установил связь между черными дырами и термодинамикой, показав, что согласно одной лишь ОТО черные дыры не могут сокращаться в размерах, но теперь обнаружил, что если добавить сюда еще и квантовую теорию, связь с термодинамикой становится еще сильнее, однако выясняется, что черные дыры уменьшаются – более того, не могут иначе.

На обычную черную дыру, возникшую из мертвой звезды, этот эффект практически не влияет. Если у черной дыры масса в три-четыре раза больше солнечной, а площадь горизонта примерно равна площади поверхности нейтронной звезды, она постоянно засасывает следы газа и пыли из окрестностей и даже из глубин пространства, и легко показать, что масса, теряемая от излучения Хокинга, гораздо меньше массы, набираемой благодаря этой аккреции. Если бы никто до этого не задумывался о минидырах, идея излучения Хокинга не вызвала бы особого интереса. Но поскольку Хокинг уже высказал гипотезу о минидырах, идея квантового испарения черных дыр произвела сильное впечатление.

Крошечная черная дыра меньше протона размером почти не заглатывает вещество из своих окрестностей, даже если находится внутри планеты. Для такой маленькой черной дыры даже плотное вещество – все равно что пустое пространство! Поэтому излучение Хокинга с поверхности минидыры, в сущности, определяет ее поведение. Хокинг показал, что такого рода излучение придает черной дыре температуру – в точности такую же, какую предсказывала работа Бекенштейна. При массе черной дыры, равной массе нашего Солнца, эта температура составляет примерно одну десятимиллионную градуса Кельвина (так что возникающее в результате ультраслабенькое излучение Хокинга не идет ни в какое сравнение с огромным количеством падающего в черную дыру вещества), но для минидыры массой всего в миллиард тонн и размером с протон температура составляет уже около 120 миллиардов К. Как показывают эти примеры, температура обратно пропорциональна массе черной дыры, поэтому, когда черная дыра теряет массу и уменьшается, она разогревается и излучает энергию все быстрее и быстрее и в конце концов взрывается с мощным выбросом рентгеновских и гамма-лучей.

Любителям научной фантастики будет интересно узнать, что, если мы сегодня сумеем найти минидыру размером с протон, она станет для нас более чем полезным источником энергии. Такая дыра давала бы около 6000 мегаватт и внесла бы значительный вклад в энергетику даже большой страны. Только вот непонятно, где ее держать: не забывайте, что она весила бы миллиард тонн, и гравитация тянула бы ее к центру Земли.

Срок жизни черной минидыры зависит от точной массы, с которой она родилась, но в среднем черные дыры размером с протон, родившиеся при Большом Взрыве, должны были бы то и дело взрываться в сегодняшней Вселенной. Любопытно, что датчики на спутниках иногда регистрируют всплески гамма-излучения из глубин космоса, и пока этому явлению не найдено общепринятого объяснения. Очень может быть, что уже открыто излучение Хокинга от взрывающихся черных дыр, хотя доказать это едва ли когда-нибудь удастся.

Хокинг совершил то, что сам считал невозможным: описал физическое явление, объединив ОТО и квантовую физику (плюс щепотка термодинамики). Именно благодаря этой работе его имя стало известным вне узких кругов математиков и астрономов, и сегодня любой физик скажет вам, что такое излучение Хокинга и почему это так важно. Однако Хокинг всегда скептически относился ко всякого рода официальным мероприятиям, поэтому повел себя несколько эксцентрично: он рассказал о поразительном открытии, что «черные дыры на самом деле не черные», не в статье в научном журнале вроде «Nature», а в заметке, которую прислал на камерный конкурс, организованный Фондом исследований гравитации в США.

Фонд исследований гравитации проводит ежегодный конкурс статей о новых исследованиях природы гравитации. До 1970-х годов конкурс не выходил за пределы Соединенных Штатов, и заграничных работ на нем почти не было, хотя как-то раз его выиграл британец, живущий в США. Затем, в 1970 году, приз достался одному из нас (Дж. Г.) и стал его последним научным достижением. Поэтому, когда тот же приз год или два спустя получил Стивен Хокинг за заметку о черных дырах, Дж. Г. тут же отправил ему поздравительное письмо. Там говорилось, что приятно видеть имя Хокинга в списке победителей, поскольку это повышает престиж конкурса и позволяет прежним победителям погреться в отраженных лучах славы. «Ничего не знаю про престиж, – писал в ответ Хокинг, – но деньги всегда очень кстати».